[发明专利]基于超快激光的高时间分辨全息偏振显微成像系统及方法

说明书

本发明公开了基于超快激光的高时间分辨全息偏振显微成像系统及方法，光源系统产生超短激光脉冲，经过四分之一波片后被调制成圆偏振光，时间延迟系统将入射激光脉冲分成两个延迟时间可调的探测子脉冲，两个探测子脉冲通过衍射系统后，经过分光镜分两路分别进入干涉系统的样品光路和参考光路，分别得到物光波和参考光波；参考光波和物光波经过第三分光镜后在记录平面叠加，叠加后的光场由与光源系统同步的记录系统来记录，得到包含两个不同时刻的物光波各正交偏振分量的复振幅信息的时间分辨偏振全息图；采用全息图的处理方法对时间分辨偏振全息图进行处理，得到两个不同时刻透过超快变化样品的物波各正交偏振分量的复振幅信息。

技术领域

本发明涉及基于超快激光的高时间分辨全息偏振显微成像系统及方法。

背景技术

近几十年来，随着超快激光技术的发展，基于超快激光的高时间分辨成像技术成为了研究超快现象的一个重要手段。到目前为止，常见的时间分辨成像技术主要包括时间分辨阴影成像，相衬显微，光谱干涉测量，波前传感和数字全息等。这些方法各有各的优缺点，时间分辨阴影成像只能记录物光波透过样品后的衍射强度图样，不能给出样品的相位信息；相衬显微镜能记录超快过程中样品折射率的变化，而不能给出样品透过率的变化；光谱干涉测量可以同时对样品的透过率和折射率进行定量测量，其缺点是其空间分辨率只有一维；波前传感技术可以同时获得物波的二维振幅和相位信息，但是其图像分辨率不够高。相比较而言，数字全息(DH)成为了研究超快现象的一种比较有效的方法。Papazoglou等人利用同轴DH技术对飞秒激光与透明材料的相互作用过程进行了测量。Balciunas等人提出了一种基于马赫-曾德干涉仪光路的时间分辨离轴DH技术，并利用该方法对水中的飞秒激光成丝现象进行了研究。此外，Wang等人提出了一种角分复用DH技术，该技术的优点是可以用一个全息图记录超快过程中三个不同时刻的复振幅分布。然而，以上这些DH技术只能研究各向同性材料(如水和空气等)中的超快现象。事实上，大多数透明材料都是偏振敏感的，例如功能晶体和生物样品。此外，各向同性材料被聚焦的飞秒激光辐照后也会产生人工双折射现象，例如熔融石英。Colomb等人提出了一种基于离轴DH的偏振显微方法，但是该方法只能对静态的物体进行偏振测量和成像。到目前为止，还没有一种能对超快现象进行时间分辨偏振测量和成像的方法。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供基于超快激光的高时间分辨全息偏振显微成像系统及方法，该方法不仅可以实现超快现象的偏振成像，还能在一次测量中同时记录超快过程中两个不同时刻的偏振信息。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于超快激光的高时间分辨全息偏振显微成像系统，包括：

光源系统，用于产生超短激光脉冲，经过四分之一波片后被调制成圆偏振光，并发送给时间延迟系统；

时间延迟系统，用于将入射激光脉冲分成两个延迟时间可调的探测子脉冲，两个探测子脉冲通过衍射系统后，再经过分光镜分两路分别进入干涉系统的样品光路和参考光路；

在样品光路，通过第一空间滤波器滤波后，只保留从衍射系统出射的零级衍射光，零级衍射光通过第一偏振片后作为照明光入射到动态样品上，透过动态样品后得到包含样品两个不同时刻复振幅的物光波；

在参考光路，通过第三空间滤波器滤波后，只保留从衍射系统出射的四束一级衍射光，再经过第二偏振片或第三偏振片处理，得到参考光波；

参考光波和物光波经过第三分光镜后在记录平面叠加，叠加后的光场由与光源系统同步的记录系统来记录，得到包含两个不同时刻的物光波各正交偏振分量的复振幅信息的时间分辨偏振全息图；

计算机处理系统，用于采用离轴全息图的处理方法对时间分辨偏振全息图进行处理，得到在两个不同时刻透过超快变化样品的物光波各正交偏振分量的复振幅信息。